《Composites Part B: Engineering》：3D打印连续纤维增强复合材料轻量化结构

【概要描述】

分类：行业动态
发布时间：2023-02-06 16:05
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2022年11月30日，中南大学、法国斯特拉斯堡大学、南布列塔尼大学联合，在复合材料TOP期刊《Composites Part B: Engineering》上发表题为3D Printed Continuous Fiber Reinforced Composite Lightweight Structures: A Review and Outlook的研究论文，结合近年来相关论文的研究成果，讨论了材料、工艺参数和结构类型等变量的二维到三维结构的多层级设计问题。介绍了结构特性对连续纤维增强复合材料力学性能的影响及在形状变形和自监测方面的新应用，充分挖掘3D打印CFRS的应用潜力。

原文链接：

//doi.org/10.1016/j.compositesb.

研究简介

连续纤维增强复合材料轻量化结构具有强度和模量高、密度小、耐用等优点，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域。连续纤维增强复合材料(CFRC)增材制造技术的创新，为集成设计和制造具有定制性能和可接受成本的复合材料轻质结构开辟了新的前景。本文综述了目前最先进的3D打印CFRC，并阐述了其发展前景和潜在应用。具体而言，综述了现有的不同碳纤维材料3D打印技术，并详细讨论了现有加工方法的局限性。然后，从路径规划、结构设计和优化方法等方面对二维和三维两种类型的CFRC进行了讨论。此外，还介绍了碳纤维复合材料的力学性能及其在变形和自监测方面的新应用。最后，本文展望了3D打印碳纤维材料从设计、制造到最终应用的未来研究机会。

研究内容解读

CFRS在3D打印背景下的设计跨越了三个层次:制造工艺、材料和结构，如图2所示。CFRS的性质可以由多个变量在不同水平上控制。每个设计层次由许多因素组成，可用于提高整体性能。例如，在工艺层面，通过优化3D打印和切片参数，可以设计出碳纤维纤维的微观结构特征，减少制造缺陷，从而提高碳纤维的力学性能。在材料层面，选择合适的纤维和基体材料可以实现复合材料的协同增强，从而提高结构的综合性能。最后，在结构水平上，细胞几何形状和图案以及填充密度对结构的力学性能也有显著影响。因此，3D打印碳纤维材料的多级设计为其广泛应用提供了可能。3D打印CFRS的研究正受到越来越多的关注。

图2 CFRS增材制造的设计变量与制造方法。

4D打印的CFRS也具有巨大的潜力，可以集成额外的传感和驱动功能，为智能承载结构的应用开辟了可能性。例如，在航空航天领域，设备通常要求能够对外部条件做出可控的自变形。形状记忆结构可以同时满足大变形和大承载能力的需要。CFRS 4D打印工艺具有纤维取向精确控制的优点，可实现结构的可控变形。此外，4D打印的CFRS元件，如执行器和结构健康监测传感器，可以内置到设备中，提供更低的成本和更好的结构完整性。随着4D打印技术的发展，CFRS在航空航天、生物、软机器人等领域将有广阔的应用前景。